RO128641B1 - Material de acoperire multistrat biocompatibil, pentru implanturi ortopedice - Google Patents

Description

Orice persoană are dreptul să formuleze In scris și motivat, la OSIM, o cerere de revocare a brevetului de invenție, In termen de 6 luni de la publicarea mențiunii hotărârii de acordare a acesteia

RO 128641 Β1

Invenția se referă la un material din straturi subțiri biocompatibile, sub formă de multistrat, pe bază de straturi alternate de nitruri sau carburi și carbonitruri cuaternare ale unor metale de tranziție biocompatibile (Ti, Zr, Nb, Ta, Hf), pentru aplicații biomedicale.

Acoperirea cu straturi subțiri biocompatibile, rezistente la uzură și coroziune, este una dintre cele mai utilizate metode de îmbunătățire a caracteristicilor implanturilor și a instrumentarului medical. La ora actuală se cunosc foarte multe tipuri de straturi subțiri care au caracteristici mecanice, tribologice și anticorozive superioare, însă cerințele de biocompatibilitate specifice limitează numărul celor utilizabile în aplicații biomedicale.

Cele mai utilizate straturi subțiri proiective sunt compuși de tip nitrură, carbură sau oxid, în care elementul metalic din compus aparține uneia dintre grupele a IV-a, a V-a sau a Vl-a ale sistemului periodic. în cazul straturilor biocompatibile, elementele metalice pot fi: Ti, Zr, Hf, Nb sau Ta. Acoperirile dure proiective, utilizate în mod curent în aplicații biomedicale, cuprind compuși binari sub formă de nitruri sau carburi ale metalelor de tranziție (TiN, ZrN, NbN, HfN, TaN , TiC , TaC ). Compușii ternari de nitruri (TiAIN, TiZrN, TiNbN, TaZrN, NbZrN) au fost introduși mai recent în aplicațiile biologice, fiind foarte puține studii in vivo realizate pe aceste tipuri de straturi. Carbonitrurile în sistem cuaternar de tipul TiAICN sau TiCrCN au fost analizate începând cu anul 2003, dar în domenii diferite de cele medicale, ca, de exemplu, pentru acoperirea unor componente din industria constructoare de mașini, a sculelor așchietoare, a rulmenților etc. Până în prezent, în aplicațiile biomedicale au fost investigate ca posibile straturi cu proprietăți biocompatibile doar cele ternare de carbonitruri de titan (TiCN) sau zirconiu (ZrCN).

în momentul de față, implanturile ortopedice sunt realizate din titan și aliajele sale, oțel inoxidabil austenitic și aliaje pe bază de CoCr, datorită unui complex de avantaje pe care le prezintă aceste materiale, dintre care enumerăm rezistența mecanică, rezistența la coroziune și, în special, rezistența la uzare, care compensează un modul de elasticitate cu valoare mare comparativ cu cel al țesutului osos. Una dintre problemele curente, care nu și-a găsit încă o rezolvare, o constituie faptul că într-un timp relativ scurt, de 10...15 ani, implanturile utilizate actualmente își pierd funcționalitatea, din cauza fenomenelor de uzare care apar la interfața metal-polietilenă și care conduc la generarea unor particule de polietilenă și, uneori, chiar de particule metalice. în această situație este necesară reprotezarea, prin realizarea unei intervenții chirurgicale de revizie. De asemenea, în ultimii ani, speranța de viață a populației active a crescut, apărând astfel necesitatea creșterii duratei medii de viață a implanturilor în organismul uman până la 20...40 ani.

Este cunoscut, din documentul JPS 62278266 (A), un material compozit tip cermet de acoperire a unui substrat metalic, format dintr-o carbonitrură dublă a unui metal din grupa a IV-a, a V-a sau/și a Vl-a, cu raportul între metale și nemetale de 0,8...1,07, și o nitrură sau o carbonitrură simplă de Ti în strat de acoperire, cu grosimea stratului de 1...15 pm, iar documentul JPS 63286550 (A) prezintă un material de acoperire format dintr-o carbură de Ti sau W și o carbonitrură dublă, din Hf, Zr, Nb sau/și Ta.

De asemenea, documentul JPH 0796407 (A) prezintă un material compozit de acoperire, pentru o unealtă de tăiere, format dintr-o fază dispersă a unui amestec de carbură, nitrură, carbonitrură și dublă carbonitrură a unui metal din grupa titanului și a unui metal din grupa fierului.

Problema pe care își propune să o rezolve invenția revendicată constă în creșterea timpului de viață a implanturilor ortopedice, prin realizarea unui material biocompatibil adecvat, rezistent la uzură și coroziune în mediile biologice din corpul uman, de acoperire a acestora.

RO 128641 Β1

Materialul de acoperire conform invenției rezolvă problema tehnică menționată prin 1 aceea că prezintă proprietăți biocompatibile superioare, având totodată o bună aderență la substrat, tensiuni interne reduse și rezistență sporită la coroziune și uzură, fiind constituit din 3 nitruri sau carburi binare și carbonitruri cuaternare sub formă de multistrat, având formula generală Me₁N/Me₂Me₃CN sau Me₁C/Me₂Me₃CN, unde Μβ_υ Me₂ și Me₃ sunt metale diferite, 5 din seria Ti, Zr, Nb, Ta și Hf. Performanțele superioare ale materialelor multistrat care fac obiectul invenției sunt determinate de formarea unor soluții solide în stare de echilibru în stra- 7 turile cuaternare, componente ale multistratului, care prezintă structuri nanocompozite cu granulație nanometrică. Aceste materiale multistrat sunt o noutate atât pe plan național, cât 9 și pe plan internațional.

Materialul biocompatibil multistrat, pentru acoperirea implanturilor ortopedice, con- 11 form invenției, prezintă următoarele avantaje:

- are aderență ridicată la substrat, microduritate ridicată și rugozitate scăzută; 13

- nu modifică tipodimensiunea implanturilor sau a dispozitivelor medicale;

- are proprietăți mecanice și tribologice stabile în timp, și rezistență la acțiunea 15 agenților corozivi care se găsesc în corpul uman;

- este netoxic, biocompatibil, neresorbabil și cu coeficient de uzură scăzut. 17

Invenția este prezentată pe larg în continuare.

Conform invenției, materialul are formula generală Me₁N/Me₂Me₃CN sau 19 Me₁C/Me₂Me₃CN, unde Μβ_υ Me₂ și Me₃ sunt metale diferite din seria Ti, Zr, Nb, Ta și Hf.

Materialul conform invenției este obținut printr-o metodă de depunere din fază fizică 21 de vapori (pulverizare magnetron, arc catodic) într-o plasmă reactivă care conține atomi și ioni ai unor elemente precum titanul, zirconiul, niobiul, tantalul, hafniul, azotul sau carbonul, 23 în funcție de natura straturilor depuse. Temperaturile substratului pe care se face depunerea sunt cuprinse între 100° și 300°C, ceea ce nu determină modificări structurale ale acestuia, 25 timpul de depunere fiind cuprins între 90 și 120 min.

Materialul multistrat, conform invenției, obținut prin metoda menționată, este format 27 din 4...1000 straturi individuale alternate de TiN, ZrN, NbN, TaN, HfN sau TiC, ZrC, NbC,

TaC, HfC și TiZrCN, TiHfCN, TiTaCN, TiNbCN, ZrHfCN, ZrTaCN, ZrNbCN, TaHfCN, 29 TaNbCN sau NbHfCN având grosimi de 20...250 nm, raportul grosimilor straturilor individuale fiind cuprins în intervalul 0,4...2 și cu o grosime totală a multistratului cuprinsă între 1 și 4 pm. 31 într-un exemplu particular de realizare a materialului multistrat conform invenției, obținut prin metoda de pulverizare magnetron, acesta este format din 30 de straturi individuale 33 alternate de NbN și ZrNbCN, cu o grosime a straturilor individuale de 120 nm, cu un raport al grosimilor straturilor individuale de 1:1 și cu o grosime totală a multistratului de 3,6 pm. 35

Materialul multistrat, în altă variantă, este obținut conform invenției, prin metoda arcului catodic, fiind format din 100 de straturi individuale alternate de HfC și TaHfCN, cu 37 grosimi ale straturilor individuale de 25 și, respectiv, 15 nm, cu un raport al grosimilor straturilor individuale de 1,6:1 și cu o grosime totală a multistratului de 4 pm. 39

Materialul sub formă multistrat este aderent la substrat, forțele normale critice măsurate la testul de aderență prin zgâriere (scratch test) fiind de 28...52 N, și are o 41 microduritate cuprinsă în intervalul 18...32 GPa. Materialul are o rugozitate medie <10 nm, și prezintă, la testul de toxicitate, o valoare a factorului de viabilitate celulară în domeniul 43

87...96%.

Claims (3)

1. Revendicări

   1. Material de acoperire multistrat biocompatibil, pentru implanturi ortopedice, având în compoziție o carbonitrură dublă a unui metal din grupa a IV-a sau/și a V-a, aderentă la un substrat metalic, și o nitrură a unui metal, caracterizat prin aceea că este format din

   4...1000 straturi individuale alternate de nitruri binare tip: TiN, ZrN, NbN, TaN sau HfN și carbonitruri cuaternare de tip: TiZrCN, TiHfCN, TiTaCN, TiNbCN, ZrHfCN, ZrTaCN, ZrNbCN, TaHfCN, TaNbCN sau NbHfCN, având grosimi de 20...250 nm, raportul grosimilor straturilor individuale fiind cuprins în intervalul 0,4...2, iar grosimea totală a multistratului fiind între 1 și 4 pm.
2. 2. Material de acoperire multistrat biocompatibil, pentru implanturi ortopedice, având în compoziție o carbonitrură dublă a unui metal din grupa a IV-a sau/și a V-a, aderentă la un substrat metalic, și o carbură a unui metal, caracterizat prin aceea că este format din

   4.. .1000 straturi individuale alternate de carburi binare tip: TiC, ZrC, NbC, TaC sau HfC și carbonitruri cuaternare de tip: TiZrCN, TiHfCN, TiTaCN, TiNbCN, ZrHfCN, ZrTaCN, ZrNbCN, TaHfCN, TaNbCN sau NbHfCN, având grosimi de 20...250 nm, raportul grosimilor straturilor individuale fiind cuprins în intervalul 0,4...2, iar grosimea totală a multistratului fiind între 1 și 4 pm.
3. 3. Material de acoperire, conform revendicării 1 sau 2, caracterizat prin aceea că are o aderență la substrat corespunzătoare unei forțe normale critice, măsurată la testul de aderență prin zgâriere (scratch test), de 28...52 N, și o microduritate cuprinsă în intervalul

   18.. .32 GPa, o rugozitate medie <10 nm, și prezintă, la testul de toxicitate, o valoare a factorului de viabilitate celulară în domeniul 87...96%.